第三代压水堆核电站厂房辐射监测系统比较

陈五星 张多飞 吴荣俊 贾靖轩 邹 涛 李文博

(武汉第二船舶设计研究所， 武汉， 430064)

根据我国能源战略规划，核电作为清洁、安全、高效的能源在能源构成中占据了非常重要的地位。核电站在运行过程中不可避免的会产生电离辐射，准确监测核电站辐射水平是确保核电站反应堆运行安全，保障核电站厂区辐射安全的重要前提。我国现阶段在运、在建商业核电站除秦山三期和石岛湾核电站分别采用重水堆和高温气冷堆堆型外，其余商用核电堆型都是压水堆。2018年6月我国引进的第三代核电技术：改进型核电(EPR，台山核电1号机组)和非能动型核电(AP1000，三门核电1号机组)已实现首次并网发电。本文比较分析新型压水堆电站厂房辐射监测系统的设计特点，对核电站辐射监测系统设计以及对在运核电站辐射监测系统改造提供参考。

1 核电站辐射监测系统

压水堆核电站厂房辐射监测系统(KRT系统)主要由工艺辐射监测通道、区域γ辐射剂量率监测通道、排出流辐射监测通道和事故后监测通道等4部分组成。4部分实现的功能分别是：

核电站KRT系统中典型的监测通道通常包括辐射探测装置、就地处理和显示装置(LPDU)、接线盒以及供电箱，对于取样监测通道还包括取样回路及相应的电气控制箱。探测装置将探测到的信号传输到LPDU进行数据处理后得到数字量或模拟量信息，LPDU再将数字量或模拟量送往上层结构进行分析和相应操作。

不同堆型核电站因设计理念、依据标准不尽相同，故不同堆型的辐射监测系统从系统结构、监测对象、探测方法到设备选型、信号传输等方面都有不同。本文以我国目前采用的3种典型堆型为例，比较第三代压水堆核电站不同堆型的厂房辐射监测系统特点。

2 不同堆型辐射监测系统比较

2.1 CPR1000堆型辐射监测系统

CPR1000堆型是中广核集团引进后通过改进创新设计的“二代加”百万千瓦级压水堆核电技术。CPR1000核电厂辐射监测系统采用“分散布置、就地处理、数据集中管理”的结构，解决了二代核电站辐射监测系统无法就地显示和报警、通讯易受干扰、数据采集存储不便等缺陷。本文以防城港核电一期1、2号机组为例，介绍CPR1000堆型厂房辐射监测系统。

防城港核电一期1、2号机组各自有45路监测通道，两机组公用监测通道14路，共计104路监测通道。每台机组各自有一套辐射监测系统信息机柜，用于集中获取下层监测通道测量和报警信息。

防城港核电一期1、2号机组KRT系统结构如图1所示[1]。系统分为上下两层结构，上层结构包括KRT服务器、工作站、交换机和查询机，两台机组各自拥有一台服务器，且两台服务器互为冗余，当一台服务器出现故障，另一台服务器可以同时采集两个机组辐射监测信息，这种设计大大提高了系统可靠性。下层结构为各路监测通道。上层结构和下层结构通过RS-485总线相互通讯，实现数据传输和指令参数设置等相关操作。安全级通道通过硬接线方式可以将信号直接发送给电站控制系统(DCS)。

2.2 CEPR堆型辐射监测系统

台山核电一期建造的中国先进压水堆(CEPR)通过增加安全系统冗余度提升其安全性。2台机组共有监测通道223个，取样通道82个。

台山核电CEPR堆型辐射监测系统与CPR1000堆型相比差异较大，其结构示意图如图2所示[2]。与CPR1000堆型KRT系统相比，CEPR堆型取消了KRT服务器和工作站，所有通道输出信号都通过硬接线方式直接与电站DCS系统连接，每个监测通道的数据信息和设备状态信息通过接线箱直接送给电厂DCS。这种结构的设计避免了由于KRT服务器与电站DCS通讯中断造成主控室大面积KRT报警的现象，提高了KRT系统运行可靠性。但是这种连接方式的缺点是操作人员无法方便查询和监视KRT数据和设备状态信息(只能在主控室查询操作)。因此台山核电站对KRT系统结构进行了改造：将终端总线上采集的所有DCS数据，通过数据镜像的方式将数据导入实时信息监控系统(KNS)，再通过KNS应用软件对数据进行分组实现了将工业网络数据导入管理网络。工作人员可以通过管理网络查询KRT实时数据和设备状态信息，而且可通过KNS应用软件快速查询到任意时间段KRT 数据变化趋势及KRT 报警事件的数量。这种设计很好的解决了辐射监测数据查询不便的缺点，既提高了系统运行的可靠性也实现了操作的便捷性。

图1 防城港核电一期CPR1000堆型KRT系统结构示意图[1]

图2 台山核电CEPR堆型KRT系统结构示意图[2]

2.3 AP1000堆型辐射监测系统

AP1000堆型采用“非能动型压水堆核电技术”大幅减少了安全系统的设备和部件，因此与其它堆型相比其辐射监测系统也简化很多[3]。以三门核电为例，AP1000堆型厂房辐射监测系统每台机组有41套辐射监测仪表，包括6套安全相关仪表和35套非安全相关仪表。安全级通道主要用于连续监测主控室进风管道和安全壳内放射性水平，当放射性水平超阈值后，相应通道会发出报警信号并通过安全联锁功能触发相关安全措施，确保核电厂安全。

AP1000堆型辐射监测系统结构与CPR1000类似，分为上下两层。下层两种监测通道与上层结构的连接方式如图3所示[4]。两堆型主要区别在于AP1000辐射监测系统中负责连续监测主控室MCR进风管道放射性和连续监测安全壳壳内的高量程放射性水平的安全级通道有两路输出：一路通过硬接线方式与保护与安全控制系统(PMS)进行通讯，PMS系统根据输入信号判断是否触发相应动作；一路通过网络与辐射监测计算机通讯柜(CRPS)连接，但是CRPS不能控制就地的安全级设备，即安全级设备向CRPS数据传输是单向的，这种设计避免了安全级探测设备来自上层设备的干扰，实现了安全相关和非安全相关的通讯隔离提高可系统的安全性。35路非安全级通道的探测装置被分配在6段通讯网络，共12根现场RS-485总线上，每段现场总线通信网络都是双网结构，形成了多总线拓扑结构，实现与CRPS的通讯。这种网络拓扑结构的设计确保了监测仪接口故障或一路通信总线中断导致的故障，大大提高了系统的稳定性和可靠性。CRPS相当于中枢神经，对下层监测数据、报警信号和设备状态进行集中监视和管理。同时CRPS通过光纤以太网与电站控制系统进行通信，将下层的监测数据、报警信号和设备状态信息发送给电厂控制系统，也可以传递电站控制系统发出的控制信号和工艺信息给下层的非安全级通道。

2.4 3种堆型辐射监测系统的比较

2.4.1监测通道数量

3种堆型KRT系统监测通道数量如表1所列。从监测通道数量也可以体现出各核电站KRT系统的特点：CPR1000基本沿用了第二代压水堆KRT系统的监测通道数量；CEPR遵循增加安全系统冗余度的设计理念，通过增加剂量率、气载放射性监测和事故后监测通道的数量，在第二代的基础上对部分监测通道做了冗余设计，监测通道最多；AP1000基于非能动安全系统的设计特点，简化了KRT系统，减少了监测设施，监测通道数量最少。

各堆型监测通道具体监测方式、监测对象及实现功能在文献[1,2,5]中有详细描述。

图3 三门核电AP1000堆型KRT系统结构示意图[4]

2.4.2辐射监测系统结构

CPR1000堆型辐射监测系统结构相对复杂，通过“分散布置、就地处理、数据集中管理”的结构设计，方便工作人员随时监测数据并可以对所有通道实现指令和参数设置。

AP1000堆型辐射监测系统结构与CPR1000堆型结构类似，但通信方式和通道设置有所不同，AP1000采用网络拓扑结构大大提高了系统稳定性，通过隔离安全相关和非安全相关通讯方式增强了系统安全性，同时AP1000堆型辐射监测系统从通讯网络、供电、辐射监测测点等多方面进行冗余设计，提高了系统的可靠性。

CEPR堆型辐射监测系统结构相对简单，这种设计提高了系统运行的稳定性和可靠性，降低了误报警率，并且通过添加信息监控系统对整个辐射监测系统进行了改造，方便监测数据的查询和管理。但CEPR堆型辐射监测系统监测通道数目较多，建造成本较高。

2.4.3设计标准

不同堆型核电站辐射监测系统依据的标准体系、监测通道的安全分级以及对设备进行的鉴定试验项目也有不同[6]。表2、表3、表4对比了不同堆型厂房辐射监测系统的标准体系、安全分级和鉴定试验项目。

表1 3种堆型监测通道数量比较

表2 不同堆型核电站厂房辐射监测系统的标准体系对比[6]

表3 不同堆型核电站厂房辐射监测系统的安全分级对比[6]

表4 不同堆型核电站厂房辐射监测系统的鉴定试验项目对比[6]

3 辐射监测系统发展趋势

核电站辐射监测系统已经经历了几十年的发展和经验积累，辐射监测技术也从简单的模拟率表形式发展到今天的数字化网络系统。系统结构在逐渐简化，系统稳定性、可靠性、准确性在逐步提高。并且辐射监测系统数字化的实现大大的提高了工作人员的操作效率和准确率，保证了系统的安全性。然而随着人们核安全意识的逐步提升，对辐射监测数据准确性、响应速度、探测灵敏度提出了更高的要求。以下从3个方面分析压水堆核电厂辐射监测技术的发展趋势。

(1) 离线取样监测通道。该类监测通道是将测量对象取样到特定容器中利用探测器测量其放射性，优点是测量精度较高，灵敏度高，但存在无法克服的缺点：取样系统的设计使得系统复杂度增大，取样过程需要较多时间，这大大的减慢了响应速度。嵌入在线式监测通道不存在取样过程，它是直接将探测器嵌入相应管道进行在线实时测量，因此在保证测量精度的同时有较快的响应时间，但探测装置长期嵌入被测介质当中不可避免会受到一定腐蚀和污染，因此这种探测方式要求探测器耐腐蚀并且表面疏水。综合比较，为兼顾测量准确性和响应速度，未来的监测设计，嵌入式监测方式将会发挥更大的优势。

(2) 气态流出物监测。气态流出物的准确监测一直是核电站辐射监测的难点，虽然国内国外对于气态排出流的监测制定了全面、系统和严格的要求，但是由于气体取样过程中不可避免的会产生放射性沉积、取样不均、放射性物质在管路中损失等现象，会直接影响测量的准确性，因此在未来的辐射监测系统设计中要对气态放射性流出流的取样方式、监测方式都要做更优化的设计。

(3) 不同核电站应当结合自身特点在辐射监测系统设计过程中考虑每路监测通道的必要性和合理性，对辐射监测系统每个测点进行合理布置，在关键位置应当进行测点冗余设置以确保系统可靠性，同时尽量减少不必要的测量通道，一可以降低系统复杂度提高可靠性，二可以节约成本降低造价。例如AP1000在设计中将安全壳内事故监测通道由二代加的2个增加到4个，提高了可靠性；取消了安全壳空气的气溶胶、碘活度监测通道，取而代之的是安全壳13N/18F活度监测通道，提高了系统的灵敏度。辐射监测系统在设计过程中也要充分考虑每个设备的可维修性、使用寿命及可替代性，这样的设计既提高了整个系统的工作效率，也可以有效地降低建造成本。

4 总结

压水堆核电站辐射监测系统经过几代发展技术已经比较成熟，不同堆型核电站结合自身特点设计出了不同的厂房辐射监测系统，本文以第三代压水堆几个代表核电站为例，比较分析了各堆型辐射监测系统的结构和特点，简要分析了辐射监测技术发展方向，为核电站厂房辐射监测系统设计或改造提供参考。